拉森鋼板樁在橋梁工程中的應用

楊 東 張寶周 魏 君

（中國建筑土木建設有限公司，北京 100070)

1 工程概況

本項目為沿黃高速公路武陟至濟源段，是高速公路“13445 工程”第一批切塊項目，路線全長約100.131km，本項目位于溫縣境28.411 公里。本工程采用的技術標準為設計速度120 公里/小時，雙向六車道，路基寬度34.5m。

本項目為沿黃高速武陟至濟源段YHSG-3 標段，主要工程內容包括：路基填方711.2 萬m3，瀝青混凝土路面620.03 千m2，南水北調特大橋1268m/1 座，設互通式立交3 處（其中樞紐互通1 處、服務型互通2 處），服務區1 處，養護工區1 處。

南水北大橋里程樁K56+311.40～K57+579.400，全長1268m[4×30+4×30+5×30+3×40+3×30+（80+140+80）+4×30+4×30+3×40]。第1 到第5 聯、第7 到第9 聯上部結構采用裝配式部分預應力混凝土連續箱梁，第6 聯上部結構采用現澆變截面預應力混凝土連續箱梁，承臺平面尺寸14m×14m，厚度4.0m。施工時采用拉森鋼板樁對承臺施工基坑進行支護，雙幅承臺距離較近，考慮進行共同支護。

2 工程地質及水文地質條件

2.1 地質情況

跨總干渠處屬黃河沖擊平原區，平坦、開闊，北高南低、西高東低。高程105.0m 左右。出露地層為第四系全新統、上更新統及中更新統，巖性主要為粉土、黃土狀粉土、粉質黏土、粉細砂等。

2.2 水文情況

橋址地下水類型為松散巖類孔隙水，地下水位埋藏較深，勘察期間地下水埋深多在14.6～18.1m（88.0m～89.8m），由東向西地下水埋藏深度呈減小趨勢，南水北調干渠東側水位略高于西側，地下水變幅在3～10m 之間。

3 施工方案

3.1 施工方案的分析和選擇

本工程17#、18#橋墩承臺位于南水北調干渠東西兩側，跨度140m。基坑開挖深度4.5m，長度35.6m，寬度18m。

目前比較常見的支護形式有自然放坡、土釘墻支護、懸臂樁+樁間噴錨支護、型鋼水泥土攪拌墻支護、重力式水泥土墻支護、拉森鋼板樁+內支撐支護。

（1）自然放坡適用于地下水位以上，施工作業面大，周圍無重要建筑物的工程。自然放坡具有施工簡單、工期短、造價低等優點；缺點是開挖范圍較大，常用于地上水位以上的二級、三級基坑，基坑開挖土方量較多，后期土方回填量多。由于承臺臨近南水北調干渠，開挖范圍過大容易對干渠現有土層造成擾動，現場場地緊張，堆土范圍有限，自然放坡不適用本項目。

（2）土釘墻支護適用于二級、三級基坑支護。工程造價比自然放坡要高，土方開挖量較自然放坡小。土釘墻支護施工工藝簡單，施工周期短，但施工現場臨近南水北調干渠，為屬于一級水源，對環境保護及水資源防護要求非常高。施工時現場需要存放水泥及砂石料，拌和混凝土時水泥揚塵比較大，會對環境造成一定污染，因此此支護方案也不適用于本項目。

（3）懸臂樁+樁間噴錨支護，適用于淺基坑，施工比較復雜，施工工期較長，造價高于自然放坡及土釘墻支護，樁間噴錨時也會對環境產生一定的污染，故本項目不考慮。

（4）型鋼水泥土攪拌墻支護，利用鉆機攪拌形成連續水泥土體，然后在水泥土體中插入H 型鋼，具有良好的抗滲性及良好的側向抗壓力，是一種復合型的圍護結構。基坑回填完成后，可拔出型鋼重復利用，從而降低了工程造價，經濟性較好。拔除型鋼后的空隙，一般采用水泥砂漿填筑。型鋼水泥土攪拌墻攪拌時水泥漿的控制將是一個難點，由于施工場地靠近一級水源，對環境保護要求比較高，攪拌時水泥漿會對淺層地下水硬度造成影響，綜上所述本工程不采用此支護方案。

（5）重力式水泥土墻支護，是通過鉆機將水泥與土按設計比例進行混合攪拌，最終形成一種圓柱狀的水泥加固土體。依靠自身重力而構成的支護結構。其側向剛度比型鋼水泥土攪拌墻小，主要運用在淤泥質土、深度不宜大于7m 的基坑。一般采用雙軸或三軸攪拌樁或高壓旋噴樁等，其特點是易于取材、施工方便、收效快等。重力式水泥土墻攪拌時水泥漿的控制將是一個難點，由于施工場地靠近一級水源，對環境保護要求比較高，攪拌時水泥漿會對淺層地下水硬度造成影響，綜上所述本工程不采用此支護方案。

（6）拉森鋼板樁+內支撐支護在橋承臺施工中是一種比較常見的支護方式，施工簡單、施工組織快、工期短，具有隔水的功能，基坑開挖范圍小，土方回填量小，土方回填后，鋼板樁可以拆除重復使用，回收率高，是一種比較經濟的支護方式。施工主料為鋼板，施工時不會對水質環境造成污染。

綜上因素考慮，最終確定采用拉森鋼板樁+內支撐支護的方式進行17#、18#承臺的基坑支護（見圖1）。本工程采用靜壓法施工，目的是減小施工時對南水北調總干渠土體的擾動。靜壓法是利用樁機自重與配重（大小根據設計計算確定）之和作為作用力，克服壓樁過程中樁身周圍的側摩擦阻及樁端阻力，將樁壓入土中的一種施工工藝。與振動沉樁相對比，其具有無噪音、無振動等特點。在靜壓的同時便可測出單樁承載力數值，不需要單獨再做承載力測試。本工程采用理正深基坑及有限元分析軟件Midas Civil 進行模擬計算，樁長12m，嵌固6m，經驗算整體穩定性安全系數Ks＝2.172＞1.30，抗傾覆穩定性驗算Kov＝1.447＞1.200,抗隆起驗算Ks＝3.716＞1.60，均滿足設計規范。圍檁及斜撐均采用2-I40b 工字鋼，橫撐采用φ630×10mm 鋼管，圍檁組合應力smax＝63.6MPa＜215MPa，強度滿足要求。最大位移f＝15.641mm＜16860/400＝42.15mm，滿足要求。經計算可知，基坑支護滿足規范要求。

圖1 基坑支護示意圖

3.2 地下水控制方案

地下水埋深多在14.6～18.1m，水位較低在橋臺施工可不考慮進行降水。對于基坑內部積水采用明溝排水，在四個角落挖四4 個0.8m×0.8m×1m 集水坑，布置4 臺泥漿泵，及時將基坑積水排除，保障基礎承臺施工不受影響。

3.3 關鍵施工工藝及重難點分析

3.3.1 工藝流程

清表、場地平整→測量定位放線→鉆機就位→鋼板樁施工→第一步土方開挖→安裝圍檁、斜撐、橫撐→第二步土方開挖→人工清槽、破除樁頭→承臺施工→土方分層壓實回填→拆除圍檁、斜撐、橫撐→拔除鋼板樁

3.3.2 施工要點分析

本工程基坑等級為二級，在基坑開挖上口線1.5m 的位置四周安裝鋼管護欄及阻燃型安全網進行防護。在主要路口及基坑周邊設置安全標識標牌，基坑內設置2 道上下人鋼結構通道，確保施工作業人員進出安全。由于拉伸鋼板樁高出地面50cm，可以有效阻擋地面水進入基坑，故不再單獨設計截水溝。

靜壓鋼板樁施工第一根樁時，需根據土層參數及樁自身重量配置反重力塊。利用總重量與反重力塊相互結合使用，總重量作為反向力將第一根樁壓入土體。當機身完全移動到反力樁上時，前期的反重力塊即可拆除，初期壓入完成。施工時注意控制樁頂標高，達到設計樁頂標高后，進行下一根樁的施工作業。

3.3.3 基坑開挖及鋼板樁支護系統施工

鋼板樁施工完成后，土方開挖1.5m 后，利用30t 汽車吊吊裝圍檁和內部支撐；采用焊接連接圍檁和內部支撐。圍檁及斜撐采用雙拼40b 工字鋼，四個角分別設置兩道雙拼40b 工字鋼斜撐，夾角為45°；中間橫撐采用φ630×10mm 鋼管，兩邊上下各設置一道雙拼40b 工字鋼斜撐，夾角45°。第一步支撐施工完成檢查合格后，立即開始進行第二步土方開挖，開挖時采用機械開挖為主，人工配合為輔的方式進行開挖，避免開挖時挖掘機觸碰到斜撐及橫撐鋼管，靠近鋼板樁處的表土采用人工清理，禁止用挖掘機挖斗與鋼板樁側壁直接接觸開挖。在開挖過程中還應控制開挖的速度，開挖過快影響基坑邊緣處的動載荷。基坑內土方開挖嚴格按照分層開挖原則，基底留30cm 采用人工清槽，破除樁頭，清理基底進行人工找平，澆筑砼墊層。進行承臺施工，承臺達到設計強度后，開始進行土方回填，分層壓實，回填至承臺頂面標高后，拆除內部支撐，拔除鋼板樁[1-5]。

4 基坑監測

4.1 監測目的

監測目的是通過對基坑監測觀察土體變形對防護堤的影響程度，以便及時采取應對措施，保證施工周邊環境安全。

4.2 基坑等級及變形監控值

根據規范規定本基坑屬于二級基坑，基坑周圍地面最大沉降監控值為60mm。

4.3 基準點的布置

基準點的設置以每座橋為一個工作面，設置3 個基準點，工作基點選擇在基坑深度2 倍以外的穩定場地上，并在首次沉降觀測之前一個月埋設好，并做好相應的保護。

4.4 監測點布置及監測和預警要求

4.4.1 監測點的布設原則

監測基點斷面設在坑邊中部、陽角處或其他有代表性的部位，并與坑邊垂直，每個主斷面不少于2 個測點，監測點位置離基坑邊緣垂直距離為2m。每個承臺周圍布置合計8 個監測點。

4.4.2 監測點埋設時間及監測頻率

監測點應在承臺基坑開挖前一周布設。基坑開挖期間，監測頻率采用4 次/1d，按國家二等水準測量的技術要求施測。

4.4.3 預警

根據《建筑基坑工程監測技術規范》二級基坑監測報警值為60mm，變化速率為4～6mm/d。出現規范要求報警情況時，必須立即報警；若情況比較嚴重，應立即停止施工，并對基坑支護結構和周邊的保護對象采取應急措施。

5 結束語

在進行施工工藝選擇時，需要從工程建設的安全性、經濟性、科學性、環保性等方面進行選擇。合理選擇基坑支護方案，控制好基坑支護結構力與周圍環境的變形關系。本文結合工程實例，對比分析不同基坑支護工藝的優缺點，最終選擇靜壓法施工拉森鋼板，其特點包括施工占用空間小，土方回填量小，施工工期短、經濟性高，重復使用率高，節約資源，節省投資。鋼板樁相對其他工藝對周圍環境影響較小，現場整潔，有利保證水渠的水不受污染。在施工時做好基坑周邊的監測，做到科學合理、精細化施工。及時將現場的各項觀測數據等反饋設計，不斷地修正完善設計參數，以及時解決現場出現的突發問題，真正地做到信息化施工。